金属フォーム
金属で作られた多孔質材料
発泡アルミニウム
通常の発泡アルミニウム

材料科学において、金属フォームとは、体積の大部分を占めるガス充填細孔を有する固体金属（多くの場合アルミニウム）からなる材料または構造です。細孔は密閉されている場合（独立気泡フォーム）と相互接続されている場合（連続気泡フォーム）があります。[1]金属フォームの特徴は高い多孔性です。通常、体積の5～25%のみがベース金属です。材料の強度は平方立方則によります。

金属フォームは通常、ベース材料の物理的特性の一部を保持します。不燃性金属で作られたフォームは不燃性のままであり、一般的にベース材料としてリサイクルできます。熱膨張係数は同様ですが、熱伝導率は低下する可能性があります。[2]

定義

連続気泡

連続気泡金属フォーム
連続気泡金属フォーム上の流体の流れと熱伝達のCFD（数値）シミュレーション

金属スポンジとも呼ばれる連続気泡金属フォーム[3]は、熱交換器（小型電子機器の冷却、極低温タンク、PCM 熱交換器）、エネルギー吸収、流動拡散、CO2スクラバー、火炎防止装置、軽量光学系などに使用できます。[4]この材料はコストが高いため、一般的に先端技術、航空宇宙、製造業に限定して使用されています。

肉眼で見えるよりも小さなセルを持つ微細連続気泡フォームは、化学産業における 高温フィルターとして使用されています

金属フォームは、圧力を下げる代わりに熱伝達を高めるために、小型熱交換器で使用されます。[5] [6] [7] [説明が必要]しかし、それらを使用することで、物理的なサイズと製造コストを大幅に削減できます。これらの材料のほとんどのモデルは、理想化された周期的な構造、または平均化されたマクロ的な特性を使用しています。

金属スポンジは単位重量あたりの表面積が非常に大きく、触媒はパラジウム黒、白金スポンジ、スポンジ状ニッケルなどの金属スポンジで形成されることがよくあります。オスミウムや水素化パラジウムなどの金属は比喩的に「金属スポンジ」と呼ばれますが、この用語は物理的構造ではなく、水素に結合する特性を指しています。[8]

密閉セル

独立気泡金属発泡体は、1926年にメラーによってフランスの特許で初めて報告されました。この特許では、不活性ガス注入または発泡剤による軽金属の発泡が示唆されていました。[9]スポンジ状金属に関する2つの特許は、1948年と1951年にベンジャミン・ソスニクに付与されました。彼は水銀蒸気を用いて液体アルミニウムを発泡させました。[10] [11]

独立気泡金属フォームは、1956年にビョークステン研究所のジョン・C・エリオットによって開発されました。最初の試作品は1950年代に利用可能でしたが、商業生産は1990年代に日本の神鋼ワイヤー社によって開始されました。独立気泡金属フォームは、自転車用ヘルメットのポリマーフォームと同様に、主に衝撃吸収材として使用されますが、より高い衝撃荷重に対応します。多くのポリマーフォームとは異なり、金属フォームは衝撃後も変形したままであるため、一度しか変形できません。軽量（通常、同一の非多孔性合金（一般的にはアルミニウム）の密度の10～25%）で剛性が高く、軽量構造材料として頻繁に提案されています。しかし、この目的で広く使用されているわけではありません。

独立気泡フォームは、他の金属フォームと同様の耐火性とリサイクル性を備えていますが、水中での浮遊性も備えています。

確率的フォーム

発泡体は、気孔率の分布がランダムな場合、確率的であると言われます。ほとんどの発泡体は、製造方法により確率的になります。

  • 液体または固体（粉末）金属の発泡
  • 蒸着（ランダムマトリックス上へのCVD）
  • ビーズまたはマトリックスを含む鋳型の直接または間接ランダム鋳造

規則的な発泡体

直接成形による通常の金属フォームの製造プロセス、CTIFプロセス[12] [13] [14]

フォームは、構造が整然としている場合、規則的であると言われます。直接成形は、開いた気孔を持つ規則的なフォーム[12] [13]を製造する技術の一つです。金属フォームは、選択的レーザー溶融（SLM） などの付加的なプロセスによっても製造できます。

プレートは鋳造コアとして使用できます。形状は用途に合わせてカスタマイズされます。この製造方法により、「完全な」フォームが可能になります。これは、プラトーの法則を満たし、切頂八面体ケルビンセル（体心立方構造）の形状の導電性細孔を持つためです。

ケルビンセル（ウィア・フェラン構造に類似）

ハイブリッドフォーム

ハイブリッド金属フォームは、通常、下層の多孔質基板上に薄膜を有しています。[15]金属フォームを異なる材料でコーティングすると、金属フォームの機械的特性が向上することが示されています。これは、金属フォームがセル構造のために曲げ変形しやすいためです。薄膜を追加することで、耐食性などの他の特性も向上し、触媒フロープロセス用の表面機能化が可能になります。

ハイブリッド金属フォームを製造するには、室温で電着法を用いて薄膜をフォーム基板上に堆積させます。[16]ワット浴内の2電極セルセットアップを使用できます。[16]最近の研究では、金属フォームの複雑な形状のために薄膜の均一性に問題があることが示されています。[16]均一性の問題は、最近の研究でナノ粒子薄膜の導入によって解決され、機械的特性と耐食性が向上しています。[17]

ハイブリッドフォームに関する最近の研究は、再生不可能なエネルギー資源への対処にも利用されています。[18]遷移金属ハイブリッドフォームは、これまで電着と水素バブリングプロセスの組み合わせによって製造されており、多孔質材料を通る流体の拡散性を高め、電荷移動を促進するための電気特性を改善してきました。[18]したがって、このようなフォームは、電気触媒による水分解プロセスをより効率的に するために使用できます

ハイブリッド金属フォームは、フレキシブルデバイスに好ましい導電性を有する可能性があります。気相堆積法により多孔質ポリマー基板上に金属の薄層を塗布することで、研究者らはポリマーマトリックスの柔軟性を維持しながら高い導電性を達成することができました。[19]サイクル試験により、ハイブリッドフォームは表面変形を検知できることが示されています。[19]今後の取り組みでは、堆積に伴う材料の架橋と多孔性の変化を特徴付けることを目指します。さらに、フォームリガンド内の異なるポリマーと金属間の相互作用または適合性を調べることで、外力に対する感度をより深く理解することができます。これは、圧縮力に対する耐性を向上させるのに役立ちます。

製造

連続気泡

連続気泡フォームは、鋳造または粉末冶金によって製造されます。粉末法では、「スペースホルダー」が使用されます。その名前が示すように、それらは細孔空間とチャネルを占有します。鋳造プロセスでは、フォームは連続気泡ポリウレタンフォーム骨格で鋳造されます。

密閉セル

泡は一般的に、溶融金属にガスを注入するか、発泡剤を混合することによって作られます。 [20]溶融金属は、材料内に気泡を発生させることで発泡させることができます。通常、溶融金属内の気泡は高密度液体中で浮力が高く、すぐに表面に上昇します。この上昇は、セラミック粉末や合金元素を添加して溶融金属中に安定化粒子を形成するなど、溶融金属の粘度を高めることで遅くすることができます。溶融金属は、以下の3つの方法のいずれかで発泡させることができます。

  • 外部から液体金属にガスを注入する。
  • ガス放出発泡剤を溶融金属に混合することで液体中にガスを発生させる。
  • 溶融金属に溶解していたガスを沈殿させる

溶融金属の泡を安定させるには、高温発泡剤（ナノメートルまたはマイクロメートルサイズの固体粒子）が必要です。気孔、つまりセルのサイズは通常1～8mmです。発泡剤を使用する場合は、粉末金属を溶融する前に混合します。これはいわゆる「粉末法」の発泡法であり、おそらく（工業的な観点から）最も確立された方法です。金属（例：アルミニウム）粉末と発泡剤（例：TiH 2）を混合した後、圧縮してコンパクトな固体前駆体とし、ビレット、シート、またはワイヤの形で入手できます。前駆体の製造は、粉末プレス、[21] 、 押し出し（直接[22]またはコンフォーム[23]）、フラットローリング[ 24 ]などの材料成形プロセスの組み合わせによって行うことができます。

複合金属フォーム

複合金属フォームにかかるひずみと荷重が増加するにつれて、応力に耐える能力が向上します。極限強度に非常に早く達する固体材料とは異なり、複合金属フォームはゆっくりと極限強度に達し、その過程でエネルギーを吸収します

複合金属フォームは、均質な中空金属球と、その周囲を囲む金属マトリックスの組み合わせから作られています。この独立気泡金属フォームは、内部の空気ポケットを隔離し、ほぼあらゆる金属、合金、またはその組み合わせから作ることができます。球のサイズは用途ごとに変更および微調整できます。空気で満たされた中空金属球と金属マトリックスの混合物は、軽量と強度の両方を提供します。球は材料内部でランダムに配置されていますが、ほとんどの場合、単純な立方構造または体心立方構造に似ています。CMFは約70%が空気で構成されているため、同体積の固体母材よりも70%軽量です複合金属フォームは、従来の金属フォームと比較して、強度対密度比が5～6倍、エネルギー吸収能力が7倍以上と、入手可能な中で最も強力な金属フォームです。[25] CMFは、ノースカロライナ州立大学の発明者アフサネ・ラビエイによって開発され、彼女の名義で4つの特許を取得しています。すべて「複合金属フォームおよびその製造方法」（米国実用特許9208912、8110143、8105696、7641984）であり、CMFは現在、Advanced Materials Manufacturing社が所有する独自の技術です。

高速衝撃／爆風／弾道試験

厚さ1インチ未満の板は、.30-06スプリングフィールド標準装備のM2徹甲弾を粉々にするのに十分な耐性を持っています。この試験板は、同等の厚さの固体金属板よりもはるかに軽量でありながら、性能が優れていました。その他の潜在的な用途としては、核廃棄物（X線、​​ガンマ線、中性子線の遮蔽）の移送や、宇宙船の大気圏再突入時の断熱材などが挙げられ、耐火性と耐熱性は普通の金属の何倍も優れています。[25] CMFの.50口径弾に対する耐性をテストした別の研究では、CMFは均質な圧延装甲の半分以下の重量で、そのような弾丸を阻止できることがわかりました。[26]

HEI/破片試験

CMFは、3分の1の重量で、同じ防御力を持つ圧延鋼装甲を置き換えることができます。CMFは、外傷性脳損傷（TBI）の原因となる破片や衝撃波を遮断できます。CMFは爆発と破片に対してテストされましたパネルは、最高速度1524m/秒で高圧の爆風と金属片を放出する23×152mmの高性能爆薬焼夷弾（対空兵器に用いられるもの）に対して試験された。CMFパネルは、たわんだり割れたりすることなく爆風と破片の衝撃に耐えることができた。厚いサンプル（16.7mm）は、3回の別々の焼夷弾試験で得られた様々な大きさの破片を完全に阻止することができた。エネルギーをプレート全体に伝達してバルク材料を損傷する完全に固体の材料とは対照的に、CMFは破片を局所的に捕捉して入射爆風のエネルギーを消散させ、破損の拡大を阻止できることが示された。[27]この研究では、ステンレス鋼CMFが18インチ離れたところで爆発する高性能爆薬焼夷弾（HEI）による毎秒5,000フィートの爆風圧力と破片の分裂を阻止した。ストライクプレートから18インチ離れた場所に配置された鋼製CMFプレート（厚さ9.5mmまたは16.75mm）は、爆風圧力の波と、23×152mm HEI弾（対空兵器で使用されるもの）および2.3mmアルミニウム製ストライクプレートによって生成された銅と鋼の破片に対して持ちこたえました。[28]鋼製CMFの性能は、同じ種類の爆風と破片に対して、同じ重量のアルミニウムプレートよりもはるかに優れていました。[29]

小火器試験

ステンレス鋼の母材に埋め込まれた2mmの鋼中空球を用いて粉末冶金法で加工された複合金属フォームパネルを、炭化ホウ素セラミックおよびアルミニウム7075またはケブラー製の背面パネルと組み合わせて、新しい複合装甲システムを製造した。この複合装甲は、 NIJ 0101.06弾道試験基準を用いて、 NIJタイプIIIおよびタイプIVの脅威に対して試験された。高度に機能的な層ベースの設計により、複合金属フォームは弾道運動エネルギーを効果的に吸収することができ、CMF層は装甲システムが吸収する全エネルギーの60～70%を占め、複合装甲システムはタイプIIIおよびタイプIVの脅威の両方に対して優れた弾道性能を示した。この試験プログラムの結果は、CMFを使用することで、タイプIIIおよびタイプIVの脅威に対する装甲の重量を軽減し、性能を向上させることができることを示唆している。[30]

.50口径BMG徹甲弾の着弾後の複合金属フォーム。弾丸が取り外され、左下のCMFパネルの上に置かれていることに注目してください。[31]

.50口径徹甲弾の試験

CMFは、より大口径の徹甲弾に対しても試験されている。[31] SS CMFパネルが製造され、セラミック製のフェースプレートとアルミニウム製のバックプレートと組み合わせられた。この積層された硬質装甲は、さまざまな衝撃速度で、 .50 BMG球状弾と徹甲弾に対して試験された。球状弾の軟鋼コアは3つのサンプルのうち1つを貫通したが、損傷の拡大を制限するために、単一のセラミック製フェースプレートの上に複数のタイルを使用することの利点が明らかになった。徹甲弾の硬化鋼コアはセラミック製フェースプレートの奥深くまで貫通し、発射体が装甲内で停止して埋め込まれるか、完全に貫通してバックプレートから出るまで、CMF層を圧縮した。実験結果は市販の装甲材料と比較され、重量が軽減されながら性能が向上していることが示された。CMF層は、最適化されていない試験条件で、弾丸の運動エネルギーの69～79%を吸収すると推定されている。[31]衝突速度が800m/sを超えると、CMF層は一貫して衝突エネルギーの最大79%を吸収しました。衝突速度が増加すると、材料のひずみ速度感受性により、CMF層の有効強度も増加しました。圧延均質装甲（RHA）と比較した場合、装甲の質量効率比は2.1と計算されました。CMF硬質装甲は、必要なRHAの半分以下の重量で、飛来する弾丸を効果的に阻止できます。[26]このような新しい装甲を使用することで得られる軽量化は、乗員や内部の機器の保護を犠牲にすることなく、軍用車両の燃費を向上させることができます。

パンクチャー試験

複合金属フォームの穿刺試験が行われました。異なる厚さのステンレス鋼表面シートとCMFコアを備えたSS CMF-CSPで穿刺試験が実施されました。SS CMFコアと表面シートの結合は、接着接合と拡散接合によって行われました。CMFコアと表面シートのさまざまな厚さにより、30 x 30 cmのタイルの1枚あたり約6.7〜約11.7 kgのさまざまなターゲット面密度が生成されました。直径2.54cmと3.175cmの鋼球を毎秒120〜470mの速度で発射してターゲットに衝突させ、2つのサイズの球形ボールの衝突面積5.06〜7.91cm2で488〜14,500 Jの穿刺エネルギーが得られました。面密度が最も低いパネルも含め、どのパネルも厚さを完全に貫通/穿刺することはありませんでした。これは主にSS CMFコアの圧縮時のエネルギー吸収能力によるものであり、一方、表面シートはCMFコアを強化して引張応力への対応力を高めます。厚い表面シートを持つサンドイッチパネルは効果が低く、薄い表面シートでもSS CMFコアが貫通エネルギーを吸収するのに十分なようです。接着接合で組み立てられたパネルは、発射体の衝突時に表面シートがCMFコアから剥離しましたが、拡散接合パネルは界面でより柔軟性を示し、応力への適応力が向上しました。ほとんどの拡散接合パネルでは、SS CMFコアから表面シートの剥離は見られませんでした。この研究はCMFのエネルギー吸収能力を証明し、CMFを使用することで保護性能の向上と重量の低減を同時に実現できることを示しました。[32]

火災／極熱試験

トーチ火災試験中の複合金属フォーム。[33]

12インチ×12インチ×厚さ0.6インチ、重量3.545kgの316L鋼製CMFパネルをトーチファイア試験で試験しました。この試験では、パネルは1204℃を超える温度に30分間さらされました。30分の曝露時間に達した時点で、鋼の非曝露面の最高温度は、ジェットバーナーの真上にあるプレートの中央で400℃（752℉）でした。この温度は、必要な温度上昇限界である427℃を大きく下回っていたため、このサンプルはトーチファイア試験の要件を満たしていました。参考までに、校正に使用された同体積の鋼の固体片は、約4分でこの試験に不合格となりました。[33]

上記の噴流火災試験の前に、同じCMFパネルがプール火災試験にかけられたことは特筆に値します。この試験では、パネルは827℃の温度に100分間さらされました。パネルは100分間、極限の温度に容易に耐え、裏面の最高温度は379℃に達しましたが、これは427℃の破損温度をはるかに下回っていました。参考までに、この試験は同サイズの固体鋼片を使用して較正されましたが、この鋼片は約13分で試験に不合格となりました。[34]これらの研究は、火災と極度の熱に対するCMFの並外れた性能を示しています。

CMFは1,100℃（2,000℉）の温度を非常によく遮断するため、材料の白熱領域からわずか5cm離れた場所でも触れることができます

複合金属フォームは熱伝達率が非常に低く、わずか数インチ以内で1100℃（2000℉）の極度の温度を遮断することが実証されており、白熱した物質の領域からわずか約5cm離れたところで材料を室温に保ちます。さらに、スチールCMFは、この温度で鋼鉄のような強度をほぼ維持しながら、この極度の温度では瞬時に溶解するアルミニウムと同じくらい軽量です。

その他の能力

複合金属フォームは、X線や中性子線を遮蔽し、衝撃、音、振動を吸収・緩和し、100万回以上の高負荷サイクルに耐えることができ、いずれの場合も従来の固体金属を上回っています。

  • 銅フォーム付きヒートシンク
    銅フォーム付きヒートシンク
  • アルミニウムフォームを含むクラッシュボックス
    アルミニウムフォームを含むクラッシュボックス
  • 大きな多孔性を持つアルミニウムフォーム
    大きな多孔性を持つアルミニウムフォーム
  • アルミニウムシート付きアルミニウムフォーム
    アルミニウムシート付きアルミニウムフォーム
  • ヘッダー - スチール金属フォーム
    ヘッダー - スチール金属フォーム

用途

設計

金属フォームは、製品や建築構成に使用できます。

  • 機械加工された金属フォーム
    機械加工された金属フォーム
  • 通常のフォームを使用したヒートシンク設計[35]
    通常の発泡体を使用したヒートシンク設計[35]
  • 大きな多孔アルミニウムを使用したコーヒーテーブル
    大きな多孔アルミニウムを使用したコーヒーテーブル

機械

整形外科

発泡金属は実験動物の義肢に使用されてきました。この用途では、骨に穴を開け、金属発泡体を挿入することで、骨が金属に成長し、永久的な接合を形成します。整形外科用途では、引張強度、耐腐食性、生体適合性から、タンタルまたはチタンの発泡体が一般的です。

トライアンフという名のシベリアンハスキーの後ろ足には、発泡金属の義肢が装着されました。哺乳類の研究では、チタンフォームなどの多孔質金属は、多孔質領域内で血管新生を可能にする可能性があることが示されました。 [36]

整形外科用デバイスメーカーは、望ましいレベルのオッセオインテグレーションを達成するために、発泡構造または金属フォームコーティング[37]を使用しています。[38] [39] [40]

自動車

車両における金属フォームの主な機能は、遮音性の向上、重量の軽減、衝突時のエネルギー吸収性の向上、および（軍事用途では）IEDの衝撃力への対抗である。例えば、フォーム充填チューブは侵入防止バーとして使用できる。[41]アルミニウムおよびアルミニウム合金フォームは、密度が低い（0.4～0.9 g/cm 3 ） ため、特に考慮されている。これらのフォームは、硬く、耐火性、無毒、リサイクル可能、エネルギー吸収性、熱伝導性、透磁性が低く、特に中空部品と比較した場合、より効率的に遮音性がある。中空の自動車部品に金属フォームを使用すると、自動車の衝突や振動に通常関連する弱点が減少する。これらのフォームは、他の中空部品の鋳造と比較して、粉末冶金で安価に鋳造できる。

車両に使用されるポリマーフォームと比較して、金属フォームはより硬く、より強く、よりエネルギー吸収性が高く、耐火性、紫外線、湿度、温度変化などの悪天候に対する耐性があります。しかし、重く、高価で、断熱性がありません。[42]

金属フォーム技術は、自動車の排ガス処理に応用されています。[43]コーディエライトセラミックを基質として使用する従来の触媒コンバータと比較して、金属フォーム基質はより優れた熱伝達を提供し、優れた物質輸送特性（高い乱流性）を示し、必要な白金触媒の量を減らすことができます。[44]

電気触媒

金属フォームは、高い表面積と安定した構造のため、電気触媒の担体として人気があります。相互接続された細孔は、反応物と生成物の物質輸送にも役立ちます。しかし、表面積が不確定であること、フォーム特性が異なること、毛細管効果のため、電気触媒のベンチマークは困難な場合があります。[45]

エネルギー吸収

アルミニウムの衝突グラフ

金属フォームは、構造物の質量を増加させずに補強するために使用されます。[46]この用途では、金属フォームは一般的に閉気孔で、アルミニウム製です。フォームパネルはアルミニウム板に接着され、局所的（シートの厚さ）に耐性のある複合サンドイッチ構造を形成し、フォームの厚さに応じて長さに沿って剛性を保ちます。

金属フォームの利点は、力の方向に関係なく、反応が一定であることです。フォームは変形後に応力が一定となり、圧縮の80%まで一定になります。[47]

熱

通常の金属フォーム構造における熱伝導
通常の金属フォーム構造における熱伝達

Tianら[48]は、熱交換器における発泡体を評価するためのいくつかの基準を挙げています。熱性能に優れた金属発泡体と、従来交換の強化に使用されている材料（フィン、結合面、ビーズベッド）との比較から、発泡体による圧力損失は従来のフィンよりもはるかに大きいものの、ビーズによる圧力損失よりも大幅に低いことがわかります。交換係数はベッドとボールに近く、ブレードよりもはるかに高い値です。[49] [50]

発泡体は、他にも熱物理的および機械的特性を備えています。

  • 非常に低い質量（製造方法に応じて、バルク固体の5～25%の密度）
  • 大きな交換表面積（250～10000 m 2 /m 3）
  • 比較的高い透過性
  • 比較的高い有効熱伝導率（5～30 W/(mK)）
  • 熱衝撃、高圧、高温、湿気、摩耗、熱サイクルに対する優れた耐性
  • 機械的衝撃と音の優れた吸収性
  • 気孔サイズと多孔度は製造業者が制御できます

フォームベースの小型熱交換器、ヒートシンク、ショックアブソーバーの商業化は、フォーム複製のコストが高いため制限されています。汚れ、腐食、浸食に対する長期的な耐性は十分に特性評価されていません。製造の観点から、フォーム技術への移行には、新しい製造・組立技術と熱交換器設計が必要です

Kisituら[51] [52]は、高熱流束電子機器の高度な二相冷却に圧縮銅フォームを使用する実験的調査の先駆者でした。金属フォームのサンプルは、米国を拠点とするERG Aerospace Corporationによって設計および製造されています。[53]最高174 W/cm2の熱流束がテスト/処理されました。データによると、フォームを流れ方向に4倍（4X）圧縮すると、圧縮されていない金属フォームと比較して熱性能が3倍以上向上しました。これは、フォームを圧縮すると有効水力直径が比例して減少し、単位体積あたりの表面積とフォームのバルク熱伝導率の両方が増加するという事実に起因しており、これらはすべて二相冷却性能を向上させます。さらに、結果は、圧縮フォームが臨界熱流束（CHF）を増加させる可能性があることを示しており、これは高熱密度での二相冷却の安全な動作に極めて重要です。予備的な結果では、圧縮金属フォームは、目詰まり、流動不安定性、低CHFなど、マイクロチャネルが直面するいくつかの問題を解決できることが示されています。そのため、圧縮フォームは、高性能コンピュータ、航空宇宙、軍事・防衛、パワーエレクトロニクスなどの高熱流束電子機器の冷却／熱管理のためのポンプ式二相冷却において、マイクロチャネルの強力な代替手段として提案されています。

参照

参考文献

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  • ビデオ：アルミニウムレギュラーフォーム：クラッシュボックステスト
  • ビデオ：レギュラーフォームの製造方法
  • NASAファクトシート FS-2003-09-117-MSFC — 粘性液体フォームとバルク金属ガラス（フォーム）
  • YouTubeでアルミニウム金属フォームの作り方を見る
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  • YouTubeの弾丸破壊動画
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